KITECH 생산기술 전문지

최근 제조 산업에서는 제품 개발 주기의 단축과 맞춤형 생산 수요 증가에 대응하기 위한 새로운 금형 제작 방식이 요구되고 있다. 본 연구에서는 복합재 기반의 대면적 적층 제조(BAAM: Big Area Additive Manufacturing) 기술을 활용하여 자동차 외장 부품 성형용 프레스 금형을 제작하고, 실제 시금형 및 양산 금형 수준에서 실증한 사례를 다룬다. 기존 금속 금형은 수개월 이상의 제작 기간과 높은 비용이 소요되며, 특히 알루미늄 합금과 같은 경량 소재를 성형할 경우 주름, 굴곡, 표면 손상 등의 품질 저하 문제가 자주 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 BAAM 기술은 고속 압출 기반의 대형 3D프린터를 활용하여 수 미터급 복합재 구조물을 출력할 수 있으며, 디지털 설계를 기반으로 복잡 형상 구현과 자동화된 생산이 가능하다. 본 기술 개발은 약 2.5 m 규모의 복합재 BAAM 장비를 자체 설계·제작하고, 탄소섬유 강화 열가소성 복합재 소재를 활용하여 금형을 출력한 후 CNC 가공을 통해 정밀도를 확보하는 방식으로 수행되었다. 시금형 실증에서는 복합재 단독 금형을 적용하여 실제 알루미늄 외장 패널을 반복 성형한 결과, 100타 이상에서 안정적인 품질과 금형 표면의 마모·손상 없는 내구성을 확보하였다. 이어 양산 금형 수준에서는 금속 금형 본체에 복합재를 비접촉 부위 또는 패드 영역에 적층한 하이브리드 금형을 제작하여 실증을 진행하였다. 하이브리드 금형은 금형 무게를 줄이는 동시에, 복합재의 소재 특성을 활용하여 알루미늄 성형 시 발생하는 굴곡 및 스크래치 등의 표면 결함을 완화하는 데 기여하였다. 금형 수명과 성형 품질 모두 기존 금속 금형과 동등한 수준을 확보하였으며, 복합재 패드의 적용 효과를 통해 프레스 장비 하중 감소 및 성형 안정성 향상이라는 부가적인 이점도 확인되었다. 본 기술은 한국생산기술연구원의 복합재 소재·공정 기술과 ㈜쓰리디팩토리의 대형 3D프린터 설계 및 제작 역량이 결합된 산연 협력의 대표 사례로, 금형 제작의 리드타임 단축, 비용 절감, 경량화 측면에서 산업적 파급 효과가 클 것으로 기대된다. 향후 수만 회 이상 성형에 대응하는 금형 수명 확보, 보다 복잡하고 대형 부품으로의 확장 등을 통해 일반 양산 공정에서도 활용 가능한 차세대 금형 기술로 발전할 수 있을 것으로 전망된다.

키워드 복합재 적층 제조, 대형 3D프린팅, 하이브리드 금형, 자동차 프레스 성형, 금형 경량화